3D打印一體化結構設計在產(chǎn)品設計中的應用研究

劉秀娟 袁蔓霖

摘?要：本文介紹了3D打印一體化結構設計的概念、特點、作用以及其在各行各業(yè)的應用現(xiàn)狀。并通過歸納總結其目前的應用特點和方式方法，提煉出了幾種常見的設計思路，為推廣3D打印一體化結構設計的應用提供一定的參考價值和借鑒作用。

關鍵詞：3D打印;一體化設計;產(chǎn)品設計

1?3D打印一體化結構設計簡介

3d打印一體化結構是一種具有代表性的為增材制造而設計的結構[1]。3D打印一體化結構設計可以實現(xiàn)產(chǎn)品“瘦身”，減少部件數(shù)量和功能與結構的集成。它是一種以增材制造技術為主導的主動設計思維方式，在設計之初，以考慮產(chǎn)品的功能性為主，而不用花費過多的精力去考慮結構裝配的問題，遵循這種方法，可以為產(chǎn)品的開發(fā)提供創(chuàng)新性的思路。

3D打印技術可以實現(xiàn)復雜部件的一體化制造，這為零部件設計帶來了優(yōu)化的空間，設計師可以嘗試將原本需要通過多個組件裝配的復雜部件，進行一體化設計。這種方式不僅實現(xiàn)了零件的整體化結構，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。

在應用中，設計工程師會遇到很多挑戰(zhàn)，存在的痛點包括如何獲得最優(yōu)的結構形狀，如何將最優(yōu)的結構形狀與最優(yōu)的產(chǎn)品性能相結合起來設計等。尤其是針對3d打印的技術特點，設計工程師需要突破以往通過鑄造、壓鑄、機械加工制造所帶來的對自身思維的束縛，重新考慮如何利用3d打印技術，以增材制造的思維去設計，這個過程是充滿挑戰(zhàn)和無限可能性的。突破傳統(tǒng)設計思維的限制是一個需要用戶與3D打印企業(yè)長期共同努力的過程。除此之外，增材制造軟件的應用也是推動增材制造思維的力量。

2?3d打印一體化結構設計的應用現(xiàn)狀

3D打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，其對設計的復雜性并不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產(chǎn)品，能夠生產(chǎn)出超常規(guī)理念的復雜結構零件是他的最大特點。3d打印一體化結構設計可以使零件在保證其強度的前提下，大幅度減少材料的應用和減輕零件的重量，可以使零件一體化，節(jié)省裝配步驟，直接得到免組裝的整體機構，其在發(fā)揮3D打印優(yōu)點方面，起著舉足輕重的作用。下面通過幾個應用案例來簡單介紹一下其應用現(xiàn)狀：

在航空航天領域，GE?公司把?GE?Catalyst?渦槳發(fā)動機中的855個單獨的部件通過增材制造技術組合成了12個部件[2];法國賽峰集團對其一款發(fā)電機的外殼進行了設計優(yōu)化，把過去由多個復雜加工零件組裝成的部件轉變設計成一個功能集成的3D打印電機外殼，使得發(fā)動機的整體零件數(shù)量和制造時間大大縮減[3]。中國航天科技集團也采用3D打印技術成功研制出了火箭發(fā)動機的一體化噴注器關鍵部件。噴注器由底座和噴嘴組合而成，原先采用的“機加噴嘴+分體焊接”制造方案，工序繁多、制造周期長。而且，由于噴注器組成零件較多，焊接過程中，每條焊縫都有可能存在潛在的質量隱患和風險。但是，采用3D打印技術，可以整體制造噴注器，一次打印成形，減少了部件數(shù)量及加工工序，制造周期大大縮短，生產(chǎn)效率大幅度提升。而且，由于少了中間的焊接工序，產(chǎn)品質量及可靠性也大大提高[4]。

在汽車領域，通用對一款汽車座椅支架進行了重新設計，其在實現(xiàn)了輕量化的同時，還通過使用3D打印一體化設計制造技術，將原來的多個零部件合為一體，使得供應鏈壓縮和組裝成本降低，從而大大縮減了產(chǎn)品開發(fā)過程和開發(fā)費用[5];保時捷借助粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術為911?GT2?RS型雙渦輪增壓發(fā)動機生產(chǎn)的活塞進行了改進，其通過采用功能集成的設計，把冷卻管道引入到3d打印活塞上，流經(jīng)管道的冷卻油既有助于將活塞密封至氣缸活塞環(huán)后的關鍵區(qū)域，又可以將活塞溫度降低20攝氏度[6]。

不僅僅是在航空航天和汽車領域，在機床零部件制造、消費品等多個領域也都有嘗試借助3D打印技術實現(xiàn)設計制造一體化零件的案例。比如，Innogrind公司利用3D打印造型自由的優(yōu)勢，將用于磨削設備的鈦金屬冷卻液噴嘴進行了功能集成的一體化結構設計，把原來的多個獨立組件組裝而成的噴嘴結構設計為一個緊湊的一體式零件[7]。同樣，家用、商用攪拌機制造商Vitamix?在制造商用攪拌機噴嘴時也嘗試使用了3D打印技術，其設計團隊經(jīng)過多次設計迭代優(yōu)化后將噴嘴設計優(yōu)化成一個沒有裝配要求的、單一的、功能集成的零件。優(yōu)化后的一體化噴嘴具有300微米的孔和復雜的微流體通道結構，使用材料減少了30%，制造的手工勞動減少了55%，噴嘴的成本降低約33%，新噴嘴的耐用性提高了10倍以上[8]。

由此可見，3D打印一體化結構設計技術在各行各業(yè)的最終零部件生產(chǎn)中的應用日益豐富，但是，3D打印一體化結構零件的設計實際上并不是簡單的照搬傳統(tǒng)的設計思路，而是利用增材制造設計的規(guī)則尋求設計的優(yōu)化方案，使產(chǎn)品變得更加緊湊、輕量和高效。

3?3d打印一體化結構設計的設計思路分析

從上節(jié)的應用現(xiàn)狀我們可以看出，3d打印一體化結構設計技術具有產(chǎn)品輕量化實現(xiàn)瘦身、減少產(chǎn)品組裝提升效率和產(chǎn)品功能與結構的集成化等應用價值和意義，其已經(jīng)在一系列行業(yè)里得到了廣泛運用。在接下來的時間里，隨著3D打印技術的廣泛應用，其勢必驅動相關的生產(chǎn)和設計技術不斷迭代、進步，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新和更新?lián)Q代。所以，為了促進創(chuàng)新，形成更優(yōu)的產(chǎn)品開發(fā)流程，在如今的設計和增材制造領域總結設計思路、探索各種可能顯得尤為重要。下面我們基于目前的應用現(xiàn)狀，針對3d打印一體化結構設計總結提煉出以下幾個設計思路。

3.1?原不同功能部件合而為一

圖1是采用原不同功能部件合而為一設計思路設計打印出的一體式新型火箭發(fā)動機?；鸺l(fā)動機是火箭上的核心部件，其在燃燒過程中，燃燒室喉部燃燒溫度會高達3500℃，內壁溫度也會超過?1000℃。所以為了防止材料失效，火箭發(fā)動機上會設計再生冷卻管道，來降低燃燒室的溫度和實現(xiàn)熱量“再生”。其冷卻管道傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是通過在毛坯上鉆孔后再通過多個繁瑣的密封工序后實現(xiàn)的，而且，其結構設計由于受到傳統(tǒng)制造手段的制約，燃燒室的冷卻效率較低。然而，借助選區(qū)激光熔化技術來制造火箭發(fā)動機，就可以實現(xiàn)多個功能結構的一體化制造。與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機需要進行零件單獨設計然后組裝的形式不同，通過3d打印一體化設計的發(fā)動機可以將燃燒室和表面通道等多個功能組件自主集成到了一個結構中，并通過3d打印技術一次成型，這種簡化設計不僅仍然滿足其性能要求，而且還可以減輕重量并提高散熱效率。